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同时支持DSP及MCU的可定标式架构
 

【作者: Linson T.】2000年03月01日 星期三

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对于人类生活日益重要的数字化世界而言,数字信号处理器(DSP)为基础的产品设计就显得越来越重要,单单只求高性能表现的设计已经不符合时代所求。姑且举一个复杂机器的设计周期来说,提供一个1.8V,具有2.4BOPs及600 Mega MACs的3000MHz产品,并不能保证产品能够适时上市(Time-to-Market),同时,发展工具也难以使用,程序代码的完成太过费时,被重复的使用率也不高。


一种极好的架构,可以同时支持DSP以及传统的微控制器单元(MCU)的操作,该种设计不仅可以将MCU串行码与DSP的向量码,达成程序代码效率的优化,即使是使用高阶的C语言亦然。如此一来,即可加速产品的开发时间,特别是目前热门的可携式产品以及多媒体产品的市场。本文将简介ST100的可定标式(Scableable)的架构,该架构允许在施行之际,选择适当「处理器单元」以及「动作/控制缓存器」的数目,藉以达成各种不同的价格性能比的选择,范围从低功率消耗的可携式产品,到需要高性能、需要并行处理的高阶产品。根据该32位且可同时支持MCU与DSP程序代码的定标式Load/Store架构,ST100能够提供更低的费用以及更快的产品上市时间,这些产品应用如大哥大话机的系统芯片(System-on-Chip)或是多媒体的应用等。


数字系统的进化,在同一应用当中有逐渐同时要兼用到MCU以及DSP的趋势。但是,由于受到需要快速开发以及增加更多功能的鞭策之下,导致于将DSP、MCU、内存以及特定的逻辑整合在一个多任务的系统芯片之上。而有越来越多的应用功能,将硬件移到软件上来处理,此时,产品的及时上市以及软件码6的可重复使用就成为关键性的要事。在此种处理方式上,现代MCU-DSP的架构必须能够支持高阶的程序语言(比如说C、C++等)以及软件工具,在程序执行速度以及程序代码的大小规模,以求得更有效率的程序代码;提供更强而有力的除错工具也是必要的一环。针对以上所描述的殷切需求,具有高度弹性DSP-MCU核心与高功能的ST100核心,就非常适合整何在崁入式的特殊应用芯片上,或是应用在多处理器的系统芯片上。


DSP的优势与缺点

DSP在现代数字化的世界中,其应用地位是无庸置疑的。但是,有多少人曾经细想过,一个DSP装置,其背后看不见的成本究竟有多少?对于一个复杂的DSP应用来说,冗长的开发时间会影响产品的及时上市,而且,该类发展工具往往是不容易使用,低阶的汇编语言不仅耗时,软件程序代码的重复使用率又不佳。一般典型的应用,又需要MCU来处理人机使用接口(Human User Interface)的问题,无形之中又增加了系统成本。


若是对DSP程序代码略作分析,可以发现具有顺序性的程序代码以及回路式程序代码均有存在。而且DSP程序代码的大小,约包含80%的微控制器码以及20%的向量码。有趣的是,典型的运行时间转换却是20%微控制器码以及80%的向量码。


ST100核心的DSP及MCU

ST100核心内部拥有一个32位MCU/16位DSP的Load/Store架构,因此,可完全支持DSP-MCU的机能。具备有该种机能,主要是藉由一个32位的指令集(GP32)以及一个基于高程序代码密度的16位指令集(GP16)。同时,平行处理模式4×32位的SLIW(Scoreboarded Long Instruction Word),非常适合DSP的运作。因此,ST100核心的指令集是DSP运作极佳的互补。该GP16指令集可以产生精致小巧的微控制器码,而GP32指令集却是可以提供更高性能的微控制器码以及向量码,而SLIW模式可以在1个周期完成4个GP32指令,具有高度DSP并行处理的能力。


指令集之间的转换可以轻易地由软件命令或是外部事件来达成,这意味着ST100核心只要在16、32位模式下提供MCU的功能,在很多情形下就可以取代第二个微控制器。然后,再用命令切换到SLIW DSP模式,做信号处理的用途。


ST100架构可以轻易使用高阶程序语言(如C,C++与EC++等)来规划, 即使复杂的信号处理的应用, 也无须庞大的汇编语言。使用C语言的一大好处就是可以使用市面上已公开的演算方式,程序代码数据库的重复使用率也较佳。基本的ST100核心包含有16个40位的数据缓存器,17个32位的指针/索引缓存器以及3个硬件回路控制器。该数据缓存器可以提供更精确的结果,而该指针/索引缓存器提供更方便的数据存取。


简单言之,ST100核心架构是针对微控制器码以及DSP程序代码最佳的使用效率而设计的,即使是采用C语言来规划亦然。


ST100架构

STMicroelectronics的ST100 DSP-MCU处理器核心架构是适用于特殊嵌入式应用需求的产品,诸如大哥大电话、通信系统、硬盘机或是先进的多媒体产品等。就ST100的内部结构来说,16位的指令字组能够提供精致小巧的程序代码,32位的指令字组可以提供MCU的性能。而128位的SLIW指令字组能够提供DSP的高功能信号处理。由此可知,ST100核心相当具有弹性,实践方式也具多样化,从低功率消耗的便携设备到需要并行处理的高功能产品装置。ST在内嵌式应用的丰富经验,ST100的核心构成是经过系统设计者以及软件工程师的实际需求分析而设计的,从低功率、高功能以及及时上市的需求皆面面俱到。


由于ST100可扩充性的架构,ST100核心可以采用各种方式来达成。好比说,当扩张至64位时,依然共享相同的指令集、发展工具以及架构的共通特点。ST100-4W是第一个完成的产品,包含有5个处理单元,32个工作缓存器,以及16个控制缓存器。操作电压1.8伏,300MHz工作频率可以具有2400MOPs及600Mega MACs的处理能力。该ST100-4W核心是采用0.18mm的制程,300MHz的核心可以具有每秒2400M字节的数据存储器带宽,每秒4800M字节的程序内存带宽。


进一步探索ST100核心架构

ST100 DSP-MCU具有很多经典RISC处理器的特点。格外显著地,ST100提供「Load & Store」以及「Arithmetic & Control」的指令类别。除此之外,ST100核心架构延伸了RISC处理器的执行方式,以其内部的地址单元AU,数据单元DU,控制单元CU,来执行上述的指令类别。GP16的16位MCU指令集,GP32的32位指令集以及SLIW命令模式,经过译码后,能够针对以上各单元做直接又有效率的控制。


地址单元AU(Address Unit),针对执行程序变量的定义,来管理操作数(Operand)的存取。AU内部包含有17个32位的指针/索引缓存器,用来实行有效的寻址计算。数据单元DU,用来执行程序大部分的数学、位移、逻辑或是位的运算。DU仅在16个40位的数据缓存器中操作。所支持的数据格式,包含32位或是延伸40位的数学运算,小数点以及SIMD数据。控制单元CU,是系统的主控单元,也就是掌握所有的控制动作。CU会依据目前指令以及内外部事件,来更新程序计数器PC(Program Counter)。他是经由18个32位的控制缓存器来产生程序地址,控制指令的存取与配送,异常状态的处理以及硬件回路的控制等。


在基本指令于CU译码后,每一个单元会利用内部的管线结构来处理指令。此种方式,可以允许在DU单元确定数据之前,A可以事先实行内存读取。此即是所谓的「存取耦合」(Access Coupling)方式。存取耦合的好处,是可以消减内存的等待时间,对于程序者几乎可以零周期来有效读取。


大部分的指令是可以预期的,指令的「条件执行」会依据特定的防护位(Guard Bit)的状态。此种方式可以将程序代码精巧化,同时降低条件分歧的负担。ST100编译程序会检验指令的参数,来决定出关键的执行途径,同时重新排序指令,以求得最速化的目标。对于一般的典型应用来说,ST100 DSP-MCU核心会连接到程序与数据存储器的控制器,这些控制器提供一个到数据与系统内存的接口,其中包含高速缓存的控制。


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